独楽と焚き火

独楽（正月に回すコマ）は、最初は勢いよく回るが、徐々に回転速度が落ちて、最後は止まる。
理由は、摩擦で回転エネルギーが熱エネルギーに変わるから、だそうです。

ならば、焚き火の近くなら回り続けるのでしょうか。
摩擦の温度より焚き火の温度が高いので、熱になったとしても逃げようがないので、熱エネルギーに変化しないと思います。

質問者からの補足コメント

• 返答ありがとうございます
  
  http://fast-uploader.com/file/7035465483362/

  No.7の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2016/11/23 23:10

No.13 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/12/07 09:34

>①回転が摩擦熱に変わって回転速度が落ちるのである

回転は「摩擦によるトルクで落ちる」が一番正確でしょう。

独楽の心棒と台の摩擦、独楽の表面に働く空気粘性による摩擦
どちらが効果が大きいか計算したことはありませんが、摩擦で
回転が落ちるのは間違いないでしょう。

摩擦によるエネルギーは、一部は振動になって台や空気に伝わって
消えるでしょう。一部は熱となり熱伝導で台や空気に伝わるか
熱放射で電磁波として空中に放射されるでしょう。

>②摩擦熱は移動しにくいのである

熱の移動のしやすさは「温度差」で決まります。温度そのものではありません。
100度と110度、1万度と1万10度では熱の伝導や放射による
移動のしやすさは同じなんです。

摩擦が作り出すのは「温度」ではなくエネルギー。
連続的に作り出される熱エネルギーは、摩擦が起きている付近に「温度差」
を作り出します。

熱の移動のしやすさと熱の発生量とは直接の関係がないことにも
注意してください。熱の発生量が大きければ大きな温度差が生じる
だけなのです。温度差が回転を吸い取るのではなく、摩擦が温度差を
作り出すのです。

>僕はそもそもエネルギーが、都合よく回転エネルギーから
>熱エネルギーに変わるという説明そのものが、
>そもそも人間の納得させるための方便だと感じます。

既に書いたように回転エネルギーは摩擦を介して、
振動、熱伝導、熱放射(電磁波＝光)の形で放散し、消えてゆきます。

摩擦や振動で光ることがあるか、学校の先生に尋ねれば、必ず「ある」と
答えてくれるはずです。グラインダーとか、100円ライターの火花とか
例はなんぼでもあります。コマは目に見える光は出しませんが、
赤外線カメラで見れば、心棒と台がこすれているあたりが
光るのを見ることができるかもしれません。
＃やったことないのでカメラの感度が足りるのか不明(^^;

この回答へのお礼

返答ありがとうございます


これで最後にします。

温度差が温度移動を生じさせ、
温度差が大きいほど温度移動が大きい、
移動された温度はエネルギーとして放出される、
放出されるので、エネルギーは減る、
減るエネルギーは回転エネルギーなので、回転速度が下がる

これが正しいとして、熱い鉄板の上なら温度差が冷たい鉄板の場合より小さいので、温度移動が小さくなります。
よって、回転速度の下がりが小さくなります。


間違っていますか。

お礼日時：2016/12/07 20:58

No.12 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/12/03 00:05

>思考実験なので、不要な要素は取り除いてください。

無理ですね。これ以上取り除くと思考実験が成立ちません。
>(2)の方が長く独楽が回る、でいいでしょうか。
いいえ、ANO11に書いた通りです。

AN011より
>温度が高いから遅くなりにくいということはないでしょう。

この回答へのお礼

返答ありがとうございます


蒸し返しになりますが、摩擦熱が発生しても、熱い鉄板と冷たい鉄板では後者の方が熱は移動しやすいと思います。視点を変えると前者の方が移動しにくい、だから

①回転が摩擦熱に変わって回転速度が落ちるのである
②摩擦熱は移動しにくいのである
③だから回転速度が落ちにくい

決定的に間違っているのはどこでしょうか。


自転車が坂を下って、位置エネルギーが運動エネルギーに変わる理屈だと、成立すると思うのですが



僕はそもそもエネルギーが、都合よく回転エネルギーから熱エネルギーに変わるという説明そのものが、そもそも人間の納得させるための方便だと感じます。熱って目に見えないので、先生から「とにかく目に見えない熱エネルギーに変わって回転エネルギーが減るのだから、回転速度が落ちる」と上からいわれて納得する生徒...がお決まりの構図です。

光エネルギーに変わる法則があり、独楽が光り輝きながら回転を落としてもいいと感じます。


どうして

必ず回転エネルギーは熱エネルギーになる

という決まりがあるのですか。


万引きすると捕まる、というのは法律で決まっています。

でも回転エネルギーが熱エネルギーになるという法律はないです。変化しやすい別のエネルギーに変わってもいいのでは。熱い鉄板なら熱エネルギーに変わりにくいのは明白なので、別のエネルギーに変わるか、それとも変わらずに独楽は回り続ける...と考える方が理屈としては通ると思います。


独楽の回転が、人間に感じる光エネルギーに変わるよりも人間に感じにくい熱エネルギーに変わることを選択するのでしょうか。

お礼日時：2016/12/06 05:04

No.11 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/12/02 22:52

＞その場所が29℃だとすると、独楽を一秒間に三回転の速さで回しても

＞熱は35℃くらいにしかならないと思います。

ここまではっきりとした形にはならないと思いますが、温度が高いと
熱放射が急激に増えるので、発生する熱量は同じでも、多少は
温度上昇が抑えられるかも。

でもコマの回転の減少は、温度上昇ではなくて、摩擦によるトルク、
により失われるエネルギー(=摩擦で発生する熱や振動)で
きまるので、温度が高いから遅くなりにくいということはないでしょう。

この回答へのお礼

返答ありがとうございます


>ここまではっきりとした形にはならないと思いますが、温度が高いと
>熱放射が急激に増えるので、発生する熱量は同じでも、多少は
>温度上昇が抑えられるかも。
私の理解力不足で理解できません。

つまり、

(1)冷たい鉄板の上で独楽を回す場合
(2)熱い鉄板の上で独楽を回す場合

では、(2)の方が長く独楽が回る、でいいでしょうか。
思考実験なので、不要な要素は取り除いてください。

お礼日時：2016/12/02 23:31

No.10 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/12/02 20:25

>その場所が、周囲の温度が1000℃だとしたら、たとえ独楽がゆっくりと回って>いるときでも1001℃になることがあるということでしょうか。

はいそうなります。

>感覚的には無いと思います。

人間の感覚はあてにならないということです。
熱力学が今の形になるまで、つまり熱と温度の
正しい認識にたどり着くまで、人類は数千年以上
かけています。誰もが間違うのです。

今は教科書を紐解けば短期間で正しい認識が手に入ります。
温まるということは、物質を構成する粒子がより激しく震える
ということです。

熱とはコップの中の水、温度は水の水位のようなものです。
熱が摩擦で発生するということは水が増えるのに置き換えて
考えることができます。

水が増えればコップの水位が上がります。最初が1cm でも
1m でも水が増えれば水位は上がります。

コマを千度の中に置くと、暫くすると温まってどこもかしこも
千度になります。
コマを回して摩擦熱が発生すると、周囲がどんなに高温でも、
摩擦の発生個所付近はそれより温度が高くなります。

この回答へのお礼

返答ありがとうございます


その場所が20℃だとして、独楽を一秒間に三回転の速さで回すと熱が３０℃になったとします。すると温度の差が10℃なので、10℃分の熱が出て行って回転速度が一秒間に２回転になるとします。

その場所が29℃だとすると、独楽を一秒間に三回転の速さで回しても熱は35℃くらいにしかならないと思います。少なくても29+10=39℃にはならないと思います。だから5℃分の熱が出て行って回転速度が一秒間に2.5回転になるかもしれません。

つまり、温度が高くなるほど回転速度は落ちにくくなります。
ならば、無限に温度が高くなったら回転速度は全く落ちなくなります。

数字は、でっちあげです。


独楽は、いつかはとまるとしても、温度が高くなるほど回転速度は落ちにくい、この理屈はあってますか。

お礼日時：2016/12/02 21:40

No.9 回答者： kothimaro 回答日時： 2016/11/30 19:38

「回転するコマが倒れない仕組み」について、私のホームページに纏めました。

是非ご参照下さい。
http://catbirdtt.web.fc2.com/komahanazetaorenai. …

No.8 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/11/24 07:55

焚き火の輻射熱を吸って回転するコマが作れないわけでは

ありませんが、何の仕掛けもない、ただのコマでは無理でしょう。

ただのコマでは輻射熱はコマが暖まるのに使われるだけで
コマの回転を増すのには使われません。

暖まるというのはコマを構成する分子のランダムな運動が
増すということ。

回転が増すというのは、コマを構成する分子がいっせいに
回転がます方向に増速すること。

どちらも個々の分子の運動が増すという点では同じですが、
なんの工夫もなければ、輻射熱で起きるのは前者だけです。

因みに温度というのは、分子のランダムな運動のこと。
温度を保つ=回転を保つ ということでは全然ありませんので
考え違いしないようにしましょう。

また、摩擦は温度ではなく、摩擦によって回転エネルギーが
熱エネルギーに変換されること。熱エネルギーとは温度の変化を
もたらすもので、温度ではありません。90度の摩擦というものは
ありません。

摩擦熱の発生と放散の釣り合いにより、摩擦が起きている
付近の温度がきまるだけなのです。

この回答へのお礼

返答ありがとうございます


机の上で独楽を回したとすると、熱が出る場所は机の表面と独楽の軸が接しているところです。
その場所が、周囲の温度が1000℃だとしたら、たとえ独楽がゆっくりと回っているときでも1001℃になることがあるということでしょうか。

感覚的には無いと思います。独楽が回転しているかどうか分からないほど速く回っていればありえるかもしれませんが、独楽が倒れる直前も1001℃あるとは思えません。

ですから周囲の温度が1000℃だとしたら、独楽は回り続けるか、逆に回転が落ちるどころか回転を増すという理屈になるのですが、それって

「焚き火の輻射熱」
「コマを構成する分子のランダムな運動」

とかの言葉を使わないと、この屁理屈を論破できないのでしょうか。

お礼日時：2016/12/02 19:18

No.7 回答者： tekcycle 回答日時： 2016/11/23 21:51

摩擦熱が逃げてくれなくても良いのだけれど。

逃げても逃げなくても発生するんです。
熱を逃がさずに発生させたときに何が起きるかは自明ですよね。特に木工製品なら。

> 摩擦で回転エネルギーが熱エネルギーに変わるから

であって、熱エネルギーが逃げるから、とは誰も言っていないのです。

No.6 回答者： kasatatsa 回答日時： 2016/11/23 08:14

実験出来る事なのに　何故　実験しないの？

やってみれば？

一番解かり易いのに・・・

あなたの屁理屈通りに行かないって事が・・

No.5 回答者： trajaa 回答日時： 2016/11/23 08:13

摩擦・抵抗により熱に置き換わるのであって

熱が足りないからという次元の話ではない
摩擦を減らす方向で頭を働かそう

No.4 回答者： ささこう 回答日時： 2016/11/23 07:58

空気や地面との摩擦なので、それらを減らすのが効果的です。

熱は逃げ道がないとしても独楽が燃えるのが先かと思います。